多項式方程式求解器

以 AI 驅動的逐步解題,求解更高次的多項式方程式
x^3 - 6x^2 + 11x - 6 = 0
x^4 - 5x^2 + 4 = 0
2x^3 + 3x^2 - 8x + 3 = 0
x^3 + 1 = 0

什麼是多項式方程式?

多項式方程式是以下形式的方程式:

anxn+an−1xn−1+⋯+a1x+a0=0a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \cdots + a_1 x + a_0 = 0

其中 nn 是稱為次數的正整數,an≠0a_n \neq 0,且 a0,a1,…,ana_0, a_1, \ldots, a_n 為常數(係數)。

多項式依次數分類:

  • 1 次:一次(ax+b=0ax + b = 0)
  • 2 次:二次(ax2+bx+c=0ax^2 + bx + c = 0)
  • 3 次:三次(ax3+bx2+cx+d=0ax^3 + bx^2 + cx + d = 0)
  • 4 次:四次(ax4+⋯=0ax^4 + \cdots = 0)
  • 5 次及以上:五次及更高

代數基本定理指出,nn 次多項式在複數範圍內恰有 nn 個根(計入重根)。例如,三次方程式總有 3 個根,可能為實根或複數根。

更高次的多項式方程式出現在物理(拋體運動、振盪)、工程(控制系統)、經濟(最佳化)以及電腦圖學(曲線交點)中。

如何求解多項式方程式

不同於二次式,沒有單一公式適用於所有更高次的多項式。以下是主要策略:

1. 有理根定理

對於整係數的 anxn+⋯+a0=0a_n x^n + \cdots + a_0 = 0,任何有理根 pq\frac{p}{q} 都必須滿足:

  • pp 整除 a0a_0(常數項)
  • qq 整除 ana_n(首項係數)

測試候選值並使用綜合除法降低次數。

範例:x3−6x2+11x−6=0x^3 - 6x^2 + 11x - 6 = 0

  • 可能的有理根:±1,±2,±3,±6\pm 1, \pm 2, \pm 3, \pm 6
  • 測試 x=1x = 1:1−6+11−6=01 - 6 + 11 - 6 = 0 ✓
  • 除去 (x−1)(x - 1) 得到 x2−5x+6=(x−2)(x−3)x^2 - 5x + 6 = (x-2)(x-3)

2. 分組因式分解

將各項重新排列成共有公因式的組。

範例:x3+x2−4x−4=x2(x+1)−4(x+1)=(x2−4)(x+1)=(x+2)(x−2)(x+1)x^3 + x^2 - 4x - 4 = x^2(x+1) - 4(x+1) = (x^2-4)(x+1) = (x+2)(x-2)(x+1)

3. 代換(偽二次式)

若只出現偶次方,令 u=x2u = x^2:

範例:x4−5x2+4=0x^4 - 5x^2 + 4 = 0 → 令 u=x2u = x^2:u2−5u+4=0u^2 - 5u + 4 = 0 → (u−1)(u−4)=0(u-1)(u-4) = 0

所以 x2=1x^2 = 1 或 x2=4x^2 = 4,得 x=±1,±2x = \pm 1, \pm 2。

4. 綜合除法

一旦找到一個根 rr,便除以 (x−r)(x - r) 降低多項式的次數,然後重複。

5. 笛卡兒符號法則

計算 f(x)f(x) 與 f(−x)f(-x) 中的符號變化次數,以判斷正實根與負實根的最大個數。

方法最適用時機
有理根定理整係數、常數項較小
分組四項且有自然配對
代換只有偶次項(雙二次)
綜合除法已知一個根
數值方法不存在有理根

應避免的常見錯誤

  • 忘記複數根:nn 次多項式在 C\mathbb{C} 上總有 nn 個根。若你只找到實根,複數根會成共軛對出現。
  • 遺漏重根:x3−3x+2=(x−1)2(x+2)x^3 - 3x + 2 = (x-1)^2(x+2),其中 x=1x = 1 為二重根。
  • 有理根候選清單不完整:檢查 a0a_0 的因數與 ana_n 的因數的所有組合。
  • 綜合除法中的算術錯誤:仔細複查每一步——一個錯誤的數字會貫穿整個計算。
  • 假設所有根都是有理數:許多多項式有無理根或複數根,僅靠有理根定理無法找到。

Examples

Step 1: 根據有理根定理,可能的根為 ±1,±2,±3,±6\pm 1, \pm 2, \pm 3, \pm 6。測試 x=1x = 1:1−6+11−6=01 - 6 + 11 - 6 = 0 ✓
Step 2: 用綜合除法除以 (x−1)(x - 1):x3−6x2+11x−6=(x−1)(x2−5x+6)x^3 - 6x^2 + 11x - 6 = (x - 1)(x^2 - 5x + 6)
Step 3: 對該二次式因式分解:x2−5x+6=(x−2)(x−3)x^2 - 5x + 6 = (x - 2)(x - 3)
Answer: x=1,  x=2,  x=3x = 1,\; x = 2,\; x = 3

Step 1: 令 u=x2u = x^2,方程式變為 u2−5u+4=0u^2 - 5u + 4 = 0
Step 2: 因式分解:(u−1)(u−4)=0(u - 1)(u - 4) = 0,所以 u=1u = 1 或 u=4u = 4
Step 3: 回代:x2=1⇒x=±1x^2 = 1 \Rightarrow x = \pm 1;x2=4⇒x=±2x^2 = 4 \Rightarrow x = \pm 2
Answer: x=−2,  −1,  1,  2x = -2,\; -1,\; 1,\; 2

Step 1: 可能的有理根:±1,±3,±12,±32\pm 1, \pm 3, \pm \frac{1}{2}, \pm \frac{3}{2}。測試 x=1x = 1:2+3−8+3=02 + 3 - 8 + 3 = 0 ✓
Step 2: 除以 (x−1)(x - 1):2x3+3x2−8x+3=(x−1)(2x2+5x−3)2x^3 + 3x^2 - 8x + 3 = (x - 1)(2x^2 + 5x - 3)
Step 3: 因式分解 2x2+5x−3=(2x−1)(x+3)2x^2 + 5x - 3 = (2x - 1)(x + 3)
Answer: x=1,  x=12,  x=−3x = 1,\; x = \frac{1}{2},\; x = -3

Frequently Asked Questions

4 次或以下的多項式總有其根的精確公式。對於 5 次及以上,阿貝爾–魯菲尼定理證明不存在使用根式的通用公式。然而,任意次數的特定多項式仍可能透過因式分解或其他技巧求解。

有理根定理指出,對於整係數多項式,任何有理根 p/q(已約至最簡)必滿足:p 為常數項的因數,且 q 為首項係數的因數。

n 次多項式在複數範圍內計入重根時恰有 n 個根。其中某些根可能重複,某些可能是複數(非實數)。

綜合除法是將多項式除以一次因式 (x - r) 的簡便方法。它只用係數,比長除法更快。常用於測試可能的根,以及在找到一個根後降低多項式的次數。

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